第五节 生命以细胞的形式出现
有了能够自我复制的RNA分子，就有了生命的萌芽，但是要形成生命，还缺少一样重要的东西，这就是“墙壁”。RNA复制自己的系统一旦形成，就需要有“墙壁”将其与外界环境分开，否则遇上下雨，或者浪头打来，这团溶液就被打散稀释，这个系统也就荡然无存了。
“墙壁”就可以将含有RNA复制系统的水溶液包裹起来，形成小囊。小囊可以将大的分子如RNA保持在小囊内，不被环境稀释，又能够让小的分子包括核苷酸，进入小囊，使RNA有复制自己的材料。由墙壁围成的小囊叫作细胞，墙壁就是细胞膜，地球上的生命也因此是以细胞的形式出现的。
要想知道分子如何在水中形成“墙壁”，就需要知道分子之间如何相互作用，这就关系到共价键的性质了。
共价键是原子之间共享电子形成的（见本章第二节），但是电子在两个原子之间的分配不一定均等。有些原子如氧原子和氮原子，吸引电子的能力比较强，在和别的原子如氢原子共享电子时，会多吃多占，让电子偏向自己一边。多得一些电子的氧原子或氮原子就带一些负电，少得电子的氢原子就带一些正电。这样的共价键就叫作极性键，即键的两端带不同的电荷。极性键会使分子中形成带负电的区域和带正电的区域。
例如，水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的，这三个原子又不排在一条直线上，而是两个氢原子偏向一边，这样就在氧原子那侧带一些负电，在两个氢原子这侧带一些正电，使水分子成为极性分子。一个水分子上的氧原子和其他水分子上的氢原子由于电荷不同而相互吸引，这样就把水分子拉到一起。除了氧原子，氮原子和氢原子之间也可以形成类似的联系。这些联系都和带部分正电的氢原子有关，所以叫作氢键。氢键不是共价键，因为参与氢键的两个原子之间没有电子共享，只是正负电荷的吸引，氢键的强度也弱于离子键，因为只是部分电荷之间的相互吸引，但是氢键在分子的相互作用中起非常重要的作用。
例如，水分子很小，只含有一个氧原子和两个氢原子，但是由于水分子之间能够形成氢键，彼此“抓”得很牢，不容易离开其他水分子而飞到空中去（即所谓的蒸发），所以水的沸点很高，要到100摄氏度才沸腾。前面说的嘌呤和嘧啶之间能够配对结合，除了形状匹配以外，还因为它们之间能够形成氢键（图1-8）。
图1-8 水分子之间的氢键和碱基之间的氢键
氢键用虚线表示。
与氧原子和氮原子不同，碳原子和氢原子之间形成共价键时，电子并不偏向任何一方，碳原子和氢原子都不带电，这样的共价键叫作非极性键，由碳原子和氢原子组成的分子也是非极性分子。非极性分子之间不能形成氢键，相互吸引力很弱，所以甲烷分子虽然和水分子差不多大，甲烷的沸点却低到-161.5摄氏度，在室温下是气体。
极性分子遇到水，由于双方都局部带电，彼此之间可以形成氢键，所以极性分子很容易分散到水中，也就是溶解。在葡萄糖分子（C6H12O6）中，有好几个羟基（见图1-5右上），氢原子是与氧原子相连的，带一些正电，葡萄糖就很容易溶解在水中，像葡萄糖这样的分子就是亲水的。汽油是碳链上连上氢原子组成的碳氢化合物，其分子是典型的非极性分子（见图1-5下中的己烷），因为不能和水分子之间形成氢键，要分散到水分子之间时还需要打破水分子之间的氢键，相当于要挤入彼此拉着手的人群，实际上很难做到，所以汽油不溶于水，是憎水的。
如果某种分子的一部分是极性的，另一部分是非极性的，这样的分子就叫作双性分子。双性分子遇到水时，亲水的部分会和水接触，包在外面，憎水的部分被水“赶出来”，彼此聚在一起，躲在内部。这样就会在水中形成小球，这就是结构的形成。
如果憎水的部分呈长条形，像火柴的杆，亲水的部分在其一端，像火柴头，这样的“火柴”在放入水中时，火柴杆会躲开水，排列起来，形成膜状物，火柴头在膜的一面，与水接触。为了避免膜的另一面（即没有火柴头的那一面）与水接触，两张膜可以通过脚对脚的方式贴在一起，形成双层膜，这样的膜内面是两层火柴杆，膜的两边都是火柴头，就可以把火柴杆和水隔开。
这样的安排在很大程度上解决了分子的憎水部分与水接触的问题，但是在膜的边缘，火柴杆仍然能够和水接触。为了把火柴杆完全包裹起来，不让它们与水接触，膜可以卷起来，形成一个封闭的球面，这样膜就没有边缘了，这正是细胞膜形成的原理。生物的细胞膜，就是封闭的双层膜。
脂肪酸可能就是最初形成细胞膜的分子。它有一条长长的尾巴，相当于是火柴杆。这条尾巴由十几个碳原子连成链，链上再连上氢原子。由于这条尾巴完全由碳原子和氢原子组成，所以是憎水的。脂肪酸的头部是一个羧基（其中两个氧原子都和碳原子直接相连），是亲水的。“羧”是化学家造的字，由“氧”字中的“羊”和“酸”字的右半边组成，意思是含氧的酸性基团（图1-9）。
图1-9 脂肪酸分子在水中形成的结构
由于碳原子上的4根共价键伸向不同方向（图1-4），由碳原子组成的链是弯曲的。
脂肪酸在陨石和宇宙尘埃上就可以形成，所以可以为早期的细胞提供细胞膜。除了脂肪酸，其他两性分子也有可能参与细胞膜的建造。为了证明在宇宙中产生的物质真的能够形成细胞膜，科学家混合了水、甲醇（CH3OH）、氨和一氧化碳，在类似星际空间的温度下用紫外线照射这个混合物。当被照射过的混合物的温度升到室温时，有一些油状物出现。当把这些油状物与水混合时，它们形成了囊泡，直径10~50微米，与生物中细胞的大小相仿。这个结果说明，在太空中形成的物质中就有两性分子，可以自动在水中形成囊泡结构，这就使原始的细胞得以生成（图1-10）。
有了能够自我复制的RNA分子，又有了包裹这个化学系统的膜，就有了最原始的细胞。随着细胞长大，还可以通过机械力的作用如浪花的激荡，分为多个小细胞，这就是最初的繁殖。
图1-10 模仿太空条件生成的物质在水中形成的囊泡
原始的细胞形成后，竞争也就开始，含有最能够复制自己的RNA的细胞就会比其他细胞更有优势，使自己的功能越来越强，包括帮助蛋白质的合成，而蛋白质的合成又进一步增强细胞的生活能力。这样发展下去，就导致真正的生命在地球上产生，这就是原核生物。